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五.元器件明细表:
13
六.系统总电路图及PLC状态流程图13
七.心得体会17
八、参考文献:
17
浅谈PLC变频器在恒压供水中的运用
【摘要】随着科技的发展,人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高;
过去多数采用天台水池供水,采用这种供水方式,会使建筑物承重负荷加大。
容易造成二次污染。
耗电多不利于节能等缺点。
所以逐渐退出使用,改用先进的自动化控制技术、高性能、高节能的变频恒压供水系统。
本论文浮浅对我所工作的小区变频恒压供水的原理及系统的组成结构,进行分析和陈述,在变频调速恒压供水系统中,3台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n,从而改变水泵的性能曲线来实现的。
当转速降低时,流量与转速成正比,在一定程度上可以减少能量损耗,能够明显节能。
该系统能够对供水系统进行自动控制,有效的降低能耗,保持系统维持在最佳运行状态。
小区变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用,并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。
经实践证明该系统具有可靠性,并且节省了人力,带来很好的效益。
【关键词】:
恒压供水、变频器、PLC
一、供水系统方案的确定
在变频调速恒压供水系统中用水量是随用户多少及用水量多少而变化,因此根据最大估算用水量加入定量的泵加入控制,定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数,使其不确定性地发生变化,因此可以认为,变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。
因此本恒压供水控制系统的基本控制策略是采用电动机调速装置与可编程控制器PLC构成控制系统进行优化控制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环控制。
在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
二、变频恒压供水系统的组成
1、系统的组成
整个系统由三台水泵,一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。
三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀,以供维修和调节水量之用,三台泵协调工作以满足供水需要
1)执行机构
执行机构是由一组水泵组成,它们用于将水供入用户管网
调速泵:
由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵,用以根据用水量的变化改变电机的转速,以维持管网的水压恒定。
恒速泵:
水泵运行只在工频状态,速度恒定。
在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时,对供水量进行定量的补充。
(2)信号检测
系统控制过程中,需要检测的包括自来水出水水压信号和报警信号:
①水压信号:
它反映的是用户管网的水压值,它是恒压供水控制的主要反馈信号。
②报警信号:
它反映系统是否正常运行,水泵电机是否过载、变频器是否有异常。
该信号为开关量信号。
(3)控制系统
供水控制系统一般安装在供水控制柜中,包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。
①供水控制器:
它是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集,对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法,得出对执行机构的控制方案,通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。
②变频器:
它是对水泵进行转速控制的单元。
变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率,完成对调速泵的转速控制。
③电控设备:
它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。
用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/整个系统由三台水泵,一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。
2、恒压闭环控制系统
1)、主电路及其分析
电机有两种工作模式即:
在KM1、KM3、KM5闭合时分别为电动机M1、M2、M3变频运行。
在KM0、KM2、KM4闭合时分别为电动机M1、M2、M3工频运行。
在总系统图中交流接触器组KM0,KM1分别控制泵1的变频运行和工频运行;
KM2和KM3分别控制泵2的变频运行和工频运行;
KM4和KM5分别控制泵3的变频运行和工频运行。
2)、变频恒压供水系统的硬件
1)、图中选用PLC的型号是松下FP1C40
PLC接线图如总系统图中所示
2)、PLCI|O分配表如下
输
入
信
号
手动|自动转换开关
X0
出
KM0
Y0
系统启动
X1
KM1
Y1
1#泵过热保护继电器
X2
KM2
Y2
2#泵过热保护继电器
X3
KM3
Y3
3#泵过热保护继电器
X4
KM4
Y4
频率上限
X5
KM5
Y5
压力上限
X6
KM6
Y6
频率下限
X7
M1报警
Y10
压力下限
X10
M2故障报警
Y11
手动1#泵工频
X11
M3故障报警
Y12
手动2#泵工频
X12
变频启动继电器
Y14
手动3#泵工频
X13
相序保护报警
Y15
手动!
#泵变频
X14
手动2#泵变频
X15
手动3#泵变频
X16
急停
X17
相序保护
X20
液位下限
X21
三、元器件的选择
1、1.PLC的选型
PLC使用松下FP1C40型号,其有24个输入点和16个输出点,另加一个FP1-2D|A扩展单元,扩展单元可扩展4个模拟点。
FP1是松下电工中的FP系列产品中一种功能很强的小型机,虽然其进入中国市场比较晚,但由于其设计上的独到之处和优良的控制功能,一推出就很受欢迎。
FP1主控单元有高速计数器,可输入高达10KHZ的脉冲,还可以输出频率可调的脉冲信号,具有8个中断源优先权管理。
通过主机上配有的RS-422或RS-232接口,可实现PLC和PC机之间的通信。
FP1的硬件配置较全,主机可通过外界I|O扩展单元(扩展单元为一些扩展I|O点数的模块,由E8-E40系列组成)。
FP1的智能单元主要有A|D、D|A模块。
当需要对模拟量进行测量和控制时,可以连接智能单元。
2、变频器的选型
变频器采用ABB公司的ACS400变频器,该产品具有矢量控制,过流、过压、电机热保护、失速、瞬时关断保护、外部故障、脉冲编码、电机过载(V|F)、变频器过载保护等功能。
通过PLC模拟量输出端子来控制变频器的频率及其复位操作,从而达到电机速度跟随压力给定,保证管网水压的恒定。
CYYB-120系列压力变送器为两线制4~20mA电流信号输出产品。
它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。
经后续电路给电桥供电,并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理,对供电电压要求宽松,具有4~20mA标准信号输出。
一对导线同时用于电源供电及信号传输,输出信号与环路导线电阻无关,抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输,与数字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便,
主要特点;
(1)高稳定性、高精度、宽的工作温度范围;
(2)抗冲击、耐震动、体积小、防水;
(3)标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强;
(4)最具有竞争力的价格。
4.
液位传感器的选择
SL980-投入式液位变送器,广泛用于储水池、污水池、水井、水箱的水位测量,油池、油罐的油位测量,江河湖海的深度测量。
接受与液体深度成正比的液压信号,并将其转换为开关量输出,送给计算机、记录仪、调节仪或变频调节系统以实现液位的全自动控制。
主要特点是:
安装简单,精度高,可靠性高,性能稳定,能实现自身保护等。
四、系统电路工作原理及分析
原理:
合上空气开关,供水系统投入运行。
将手动.自动开关打到自动上,系统进入全自动运行状态,PLC中程序首先接通KM0,并起动变频器。
根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节,并输出频率给定信号(IRF)给变频器。
变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上下限范围之内,实现恒压控制。
同时变频器在运行频率到达上限(设定为工频50Hz),会将频率到达信号送给PLC,PLC则根据管网压力的上下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号,由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。
当变频器运行频率达到频率上限值,并保持一段时间(程序设定为15秒),则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行,并迅速(时间设定为5秒)起动下一台泵变频运行。
此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析,计算,判断,进一步控制变频器的运行频率,使管压保持在压力设定值的上下限偏差范围之内。
3台泵切换及变频控制程序框图如图3所示。
系统控制程序图
增泵工作过程:
增泵工作过程:
假定增泵顺序为l、2、3泵。
开始时,1泵电机在PLC控制下先投入调速运行,其运行速度由变频器调节。
当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高,水泵转速上升,反之下降。
当变频器的输出频率达到上限(50HZ),并稳定运行15s后,如果供水压力仍没达到预置值,则需进入增泵过程。
在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开,延时1秒后,1泵电机切换到工频运行,同时变频器与2泵电机连接,控制2泵调速运行。
如果还没到达设定值,则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行,控制3泵投入变频运行。
减泵工作过程:
减泵顺序依次为1,2,3泵。
当供水压力大于预置值时,变频器输出频率降低,水泵速度下降,当变频器的输出频率达到下限(30Hz),并稳定运行一段时间(30s)后,把变频器控制的水泵停机,如果供水压力仍大于预置值,则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行,并继续减泵工作过程。
如果在晚间用水不多时,当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时,如果供水压力仍大于设定值,系统将停止,进入休眠状态,此时由储气罐来保持水管中的压力,从而达到节能效果。
2)分析:
该系统逻辑控制采用PLC控制变频器实现调速恒压供水,使用方便,工作可靠,系统压力恒定,具有较好的控制效果。
该系统采用变频器调节水泵转速,使系统实现了高效节能,节能效率可达40%左右,同时由于采用变频器对电机实现软起动,减少了设备损耗,延长了水泵,电机设备的使用寿命。
系统采用闭环控制,参数波动范围小,偏差能及时进行控制。
变频器的加速和减速可根据工艺要求自动调节,控制精度高,能保证生产工艺稳定,而且由于变频调速器具有十分灵敏的故障检测,诊断,数字显示功能,提高了水泵运行的可靠性。
综上所述,采用PLC和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统,具有很强的实用性,为供水领域的技术革新,开辟了切实有效的途径。
系统采用3台水泵并联运行方式,压力传感器将主水管网水压变换为电信号,经模拟量输入模块,输入PLC,PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算,输出控制信号经模拟量输出模块至变频器,调节水泵电机的供电电压和频率。
当用水量较小时,一台泵在变频器的控制下稳定运行,当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力稳定时,PLC给定的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到,PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行,以保持压力的连续性,同时将下一台备用泵用变频器启动后投入运行,以加大管网的供水量保证压力稳定。
若2台泵运转仍不能满足压力的要求,则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行,再将一台备用泵投入变频运行,当用水量减少时,首先表现为变频器已工作在最低速信号有效,这时压力上限信号入仍出现,PLC首先将最先工频运行的泵停掉,以减少供水量。
当上述2个信号仍存在时,PLC再停掉第2台工频运行的电机,直到最后一台泵用变频器恒压供水。
所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制,实现带载软起动,避免了启动大电流给水泵电机带来冲击,相对延长了电机的使用寿命。
同时,系统供水采用变频泵循环方式,以“先开先关”的顺序关泵,工作泵与备用泵不固定死,这样,既保证供水系统有备用泵,又保证系统泵有相同的运行时间,有效的防止因为备用泵长期不用发生锈死现象,提高了设备的综合利用率,降低了维护费用。
元件
符号
型号
数量
可编程控制器
PLC
松下FP1-C40
1
变频器
VVVF
ABB/ACS400
接触器
KM1~KM6
CJ10-100
6
电机
M1~M3
Y200L1-2
3
刀开关
QS1~QS3
HR3-300
热继电器
FR1~FR3
JR16-60/3D
按钮
SB1~SB9
LAY3-11
9
液位检测器
SL980
压力传感器
CYYB-120
蓄水池
100吨
M
Y200L1-8
熔断器
FU1~FU3
RT0-400
六.系统总电路图及PLC状态流程图
七.心得体会
经过几个月的努力终于完成了这篇论文,回想完成论文的过程,我感触颇多,虽然我是物业维修电工,每天都跟恒压供水打交道,但是能深层次的了解研究plc和变频器仍有很大的难度。
平时我们只是检修外围原件,变频器、plc的故障及调试几乎涉及不到,我只是通过上次电工技师的培训才对plc、变频器有些认识和了解。
在这几年里,一直抱着要考高级技师的愿望支撑着我坚持学习,虽然这中间遇到了不少的问题,有时觉得茫然,但我认真学习,刻苦钻研,并向水泵厂售后师傅请教指点迷津,在指导老师帮助下,困难一个一个的迎刃而解。
在这次写论文的过程中,有过迷茫、困惑,也有突破后的欣喜愉悦。
我想,这就是学习的过程、历练的过程,知识积累的过程。
论文从各方面比较全面系统的对恒压供水的原理及运用进行了解析,使我对恒压供水、plc、变频器、pld、传感器的工作原理有了更深的认识与体会。
在今后的工作中会充分利用所学到的知识,为小区广大业主服务,保障业主正常供水。
【参考文献】:
[1]汪志峰.可编程序控制器原理与应用[M].西安电子科技大学出版社,2004
[2]皮壮行.可编程序控制器的系统设计与应用实例[M].机械工业出版社,2000
[3]张选正,张金远.变频器应用经验[M].中国电力出版社,2006
[4]孙洪程,李大字.过程控制工程[M].高等教育出版社,2006
[5]张春霞.变频调速及PLC技术在恒压供水系统中的应用[J].矿业快报,2004
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